EP0771062A1 - AC-DC converter device with sinusoidal input current and method applied in such converter - Google Patents

AC-DC converter device with sinusoidal input current and method applied in such converter Download PDF

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EP0771062A1
EP0771062A1 EP96402258A EP96402258A EP0771062A1 EP 0771062 A1 EP0771062 A1 EP 0771062A1 EP 96402258 A EP96402258 A EP 96402258A EP 96402258 A EP96402258 A EP 96402258A EP 0771062 A1 EP0771062 A1 EP 0771062A1
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EP
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voltage
converter
output
conversion
continuous
Prior art date
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Ceased
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EP96402258A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Francois Forest
Serge Delbosc
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Nouvelle Satel Ste
Original Assignee
Nouvelle Satel Ste
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Publication date
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to an AC-DC conversion device with sinusoidal current absorption. It also relates to a method implemented in this device.
  • An AC-DC conversion device is expected to draw a sinusoidal current from the network, to provide a perfectly regulated output voltage in the sense that this regulated voltage no longer has any residual voltage at low frequency , - in particular the frequency of the network -, and that it is galvanically isolated.
  • the conventional devices currently used consist of two cascaded stages, each stage being dimensioned for the nominal power to be converted, as illustrated for example by the article "Higher power factor for switched-mode power supplies" from the review SIEMENS COMPONENTS, vol.28, No.3, July 1993, pages 10-14.
  • the overall energy yield of these devices is modest since it is the product of the respective yields of each stage.
  • the object of the present invention is to provide an AC / DC conversion device with a higher efficiency than current conversion devices, and which furthermore uses fewer components and is less expensive.
  • AC-DC converter with sinusoidal current absorption for supplying a load with a regulated DC output voltage from an AC voltage source, comprising an AC-DC conversion stage, a filtering stage and a DC-DC conversion stage including a DC-sinusoidal absorption converter with galvanic isolation comprising first controlled switching means and delivering a regulated voltage comprising a low frequency residual voltage ripple.
  • the DC-DC conversion stage further comprises, downstream from the DC-DC converter with sinusoidal absorption, an auxiliary DC-DC converter arranged to generate a voltage compensating for the ripple of residual voltage at the output. of the DC-DC converter.
  • the AC-DC conversion device further comprises means for compensating the output current of the DC-DC converter comprising first controlled switching means, faced with variations in load, these compensation means acting on the control of the first controlled switching means.
  • This functionality makes it possible to make the DC-DC conversion stage not very sensitive to load variations and thus to minimize the instantaneous power sizing for the output stage.
  • the auxiliary converter comprises second controlled switching means, a transformer comprising a primary winding in series with said controlled switching means and a secondary winding cooperating with rectifying means to deliver the compensation voltage, this secondary winding being arranged in series with the output of the DC-DC converter.
  • a Forward structure One can in particular choose for this auxiliary converter a Forward structure.
  • This auxiliary converter which can be considered as an active filter regulating the output voltage, can be dimensioned for a power which represents only a fraction of the nominal power of the AC-DC conversion device. Means are also provided for regulating its output voltage, these regulating means acting on the command duty cycle of the second controlled switching means.
  • the DC-DC converter is preferably a Flyback converter which, by virtue of its structure, fulfills the condition of galvanic isolation.
  • the method further comprises, following the filtering, a step of DC-DC conversion with sinusoidal absorption and galvanic isolation to deliver a regulated DC voltage comprising a low frequency residual voltage ripple, and a step to compensate for the low frequency ripple of this regulated continuous voltage, this compensation step comprising a generation of a compensation voltage of frequency and amplitude substantially equal to those of the low frequency voltage ripple, and a setting in series of this compensation voltage with the output voltage from the DC-DC conversion.
  • the continuous-continuous conversion is a conversion in Flyback mode.
  • the compensation voltage is supplied across a secondary winding of an auxiliary converter in Forward mode, this secondary winding being arranged in series with the output of the continuous conversion stage -continued.
  • the method according to the invention preferably comprises compensation of the output current of the DC-DC conversion stage, this compensation comprising an addition to the control voltage of this DC-DC conversion stage of an image of the DC current. exit.
  • the AC-DC conversion device 1 comprises, with reference to FIG. 1, a diode rectification stage 2 supplied with a single-phase AC voltage, for example the single-phase sector, a filtering stage 3, a DC-DC conversion stage 4 comprising a Flyback converter, and an auxiliary converter 5 at the output of which a load 6 is connected.
  • the filtering stage 3 comprises an input capacitor 30 (1.8 ⁇ F), an in-line filtering inductor 31 (150 ⁇ H) and an output capacitor 32 (1.8 ⁇ F).
  • This filtering stage 3 has been dimensioned so as to minimize the filtering inductance 31 and to make the voltage ripple at the terminals of the output capacitor 32, and therefore at the input of the Flyback converter 4, independent of the inductance of the power line.
  • the Flyback converter 4 comprises a controlled switch 40, preferably an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a switching assistance circuit 400, a coupled inductor 41 comprising a primary winding 410 in series with the switch 40 and a winding secondary 411 in series with a secondary diode 42, and an output capacitor 43.
  • a controlled switch 40 preferably an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the controlled switch 40 is a fast 50 A, 1200 V IGBT and its switching frequency is equal to 20 kHz.
  • This controlled switch 40 is necessarily provided with a diode 401 mounted in antiparallel.
  • the coupled inductance 41 is of toroidal structure with a ferrite core and Litz wire conductors.
  • the secondary diode 42 is preferably an ultra fast 100 A, 200 V diode;
  • the output capacitor 43 is a high performance chemical capacitor with a capacity of 15000 ⁇ F.
  • the switching assistance circuit 400 makes it possible to limit the instantaneous stresses and the losses linked to the opening switching of the controlled switch 40. It notably comprises a capacitor 412 for assistance with the opening to recover the leakage energy from the coupled inductor 41, an inductor 46 allowing an inversion of the voltage across the capacitor 412, three diodes 45, 44, 47, and a circuit (R, C) 49, 48, these switching assistance components being connected according to a diagram well known to designers of switching assistance circuits.
  • the switch 40 is controlled by a control unit 7 comprising a control module with Pulse Width Modulation (PWM) 70 comprising a current protection module based on current measurement information supplied by a current sensor 413, - for example a passive probe -, in series with the switch 40 , a galvanic isolation module and a close control module.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the protection module blocks the gate control of the switch 40 until the next switching period.
  • a module 71 for regulating the input current Ie of the DC-DC converter Forward 4 is provided to make it possible to control the power absorbed and to maintain or at best improve the sinusoidal absorption performance. It is thus a question of realizing a fast control with a low error on a wide frequency range, while offering a satisfactory degree of stability.
  • the input current Ie is measured by the passive probe 413 which however only supplies the dynamic component of the current.
  • the DC component is reconstructed using a well-known technique using an RC filter or an integration, using the fact that, in this type of Flyback converter, the measured current s' cancels periodically at known times. It is not necessary to describe in detail the current loop implemented for regulating the input current, this current loop being able to be produced according to conventional diagrams known to any person skilled in the art.
  • the output voltage of the Flyback converter 4 is obtained by capacitive integration 1 / Cp of the current flowing in the capacitor 43 which is equal to the difference between the current generated Iy and the output current Is called by the auxiliary converter 5.
  • the auxiliary converter 5 which has the function of attenuating the low frequency ripple of the output voltage of the Flyback converter 4, is of the Forward type. It comprises a transformer 52 comprising a primary winding 520 in series with a controlled switch 50, a first secondary winding 522 in series with a secondary diode 53 for delivering a compensation voltage Vs2, and a second secondary winding 521 of recovery in series with a recovery diode 51.
  • the primary winding 520 and the switch controlled in series are connected in parallel to the output of the Flyback converter 4.
  • the recovery winding 521 and the recovery diode 51 are also connected in parallel on the output of the Flyback 4 converter, since there is no need to provide galvanic isolation for this compensation stage.
  • a freewheeling diode 54 is connected in parallel to the secondary winding 522 in series with the secondary diode 53.
  • the output voltage Vs of the auxiliary converter is then equal to the sum of the output voltage Vs1 of the Flyback converter 4 and the compensation voltage Vs2 at the terminals of the freewheeling diode 54.
  • This output voltage Vs is filtered by a conventional passive filter comprising an in-line inductance 55 and an electrochemical capacitor 56 in parallel on the charge output. We get in in particular the filtering of the 20 kHz chopping components of the Flyback 4 converter.
  • the controlled switch 50 of the auxiliary converter 5 is preferably a MOSFET transistor, since the switched currents are much lower than the nominal current of the conversion device 1.
  • This transistor is controlled by a control unit 8 including a PWM type control and regulation of the output voltage.
  • This regulation can be carried out according to conventional techniques in the field of power electronics. This involves generating a compensation voltage Vs2 at a frequency of 100 Hz which is such that it compensates for the own ripples at 100 Hz of the output voltage Vs1 of the Flyback converter ( Figure 4), and that the voltage output of the AC-DC conversion device according to the invention, ie a substantially constant voltage of predetermined value Vc.
  • control units can be designed according to other control principles without limiting the scope of the invention.

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Abstract

The converter (1) delivers to a load (6) an DC output voltage (Vc) regulated from an AC voltage source. The converter includes an AC-DC conversion stage (2), a filtering stage (3) and a DC-DC conversion stage (4) with sinusoidal absorption and galvanic isolation including a first controlled switching system which delivers a regulated voltage having a low frequency residual waveform. The DC-DC conversion stage also includes, before the DC-DC converter, an auxiliary converter (5) of the DC-DC type which generates a voltage (Vs2) which compensates for the residual voltage at the output of the converter (4). In addition a load current compensator (72) compensates for output (ls) load current variations of the DC-DC converter. The compensator (72) acts on the control of the first switching system (40) of the converter (4).

Description

La présente invention concerne un dispositif de conversion alternatif-continu à absorption sinusoïdale de courant. Elle vise également un procédé mis en oeuvre dans ce dispositif.The present invention relates to an AC-DC conversion device with sinusoidal current absorption. It also relates to a method implemented in this device.

On attend d'un dispositif de conversion alternatif-continu qu'il prélève sur le réseau un courant lui-même sinusoïdal, qu'il fournisse une tension de sortie parfaitement régulée au sens où cette tension régulée ne présente plus de tension résiduelle à basse fréquence, - en particulier la fréquence du réseau -, et qu'il soit isolé galvaniquement.An AC-DC conversion device is expected to draw a sinusoidal current from the network, to provide a perfectly regulated output voltage in the sense that this regulated voltage no longer has any residual voltage at low frequency , - in particular the frequency of the network -, and that it is galvanically isolated.

Les dispositifs classiques utilisés actuellement sont constitués de deux étages en cascade, chaque étage étant dimensionné pour la puissance nominale à convertir, comme l'illustre par exemple l'article "Higher power factor for switched-mode power supplies" de la revue SIEMENS COMPONENTS, vol.28, No.3, Juillet 1993, pages 10-14. Le rendement énergétique global de ces dispositifs est modeste puisqu'il est le produit des rendements respectifs de chaque étage.The conventional devices currently used consist of two cascaded stages, each stage being dimensioned for the nominal power to be converted, as illustrated for example by the article "Higher power factor for switched-mode power supplies" from the review SIEMENS COMPONENTS, vol.28, No.3, July 1993, pages 10-14. The overall energy yield of these devices is modest since it is the product of the respective yields of each stage.

On connaît par ailleurs, par le US-A-4 642 745, un circuit de conversion alternatif-continu à absorption sinusoïdale incluant une compensation de l'ondulation de tension résiduelle mettant en oeuvre un transformateur unique et une technique de résonance entre un enroulement secondaire auxiliaire et un condensateur de résonance, cet enroulement secondaire auxiliaire étant faiblement couplé à un enroulement primaire relié à un étage de commande MLI. L'enroulement secondaire auxiliaire et le condensateur de résonance agissent en quelque sorte comme un générateur de tension réglable pour compenser l'ondulation de tension résiduelle normalement constatée en sortie d'un convertisseur continu-continu. La tension de sortie de ce circuit est fournie en sortie d'un étage de redressement et de filtrage connecté à un enroulement secondaire de sortie du transformateur.We also know, from US-A-4 642 745, an AC-DC conversion circuit with sinusoidal absorption including compensation for the ripple of residual voltage using a single transformer and a resonance technique between a secondary winding auxiliary and a resonance capacitor, this auxiliary secondary winding being weakly coupled to a primary winding connected to a PWM control stage. The auxiliary secondary winding and the resonant capacitor somehow act as an adjustable voltage generator to compensate for the residual voltage ripple normally observed at the output of a DC-DC converter. The output voltage of this circuit is supplied at the output of a rectification and filtering stage connected to a secondary output winding of the transformer.

Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de conversion alternatif-continu de rendement plus élevé que les dispositifs de conversion actuels, et qui en outre mette en oeuvre moins de composants et soit moins coûteux.The object of the present invention is to provide an AC / DC conversion device with a higher efficiency than current conversion devices, and which furthermore uses fewer components and is less expensive.

Il s'agit d'un dispositif de conversion alternatif-continu à absorption sinusoïdale de courant, pour délivrer à une charge une tension de sortie continue régulée à partir d'une source de tension alternative, comprenant un étage de conversion alternatif-continu, un étage de filtrage et un étage de conversion continu-continu incluant un convertisseur continu-continu à absorption sinusoïdale et à isolement galvanique comprenant des premiers moyens de commutation commandés et délivrant une tension régulée comportant une ondulation de tension résiduelle à basse fréquence.It is an AC-DC converter with sinusoidal current absorption, for supplying a load with a regulated DC output voltage from an AC voltage source, comprising an AC-DC conversion stage, a filtering stage and a DC-DC conversion stage including a DC-sinusoidal absorption converter with galvanic isolation comprising first controlled switching means and delivering a regulated voltage comprising a low frequency residual voltage ripple.

Suivant l'invention, l'étage de conversion continu-continu comprend en outre, en aval du convertisseur continu-continu à absorption sinusoïdale, un convertisseur auxiliaire de type continu-continu agencé pour générer une tension compensant l'ondulation de tension résiduelle en sortie du convertisseur continu-continu.According to the invention, the DC-DC conversion stage further comprises, downstream from the DC-DC converter with sinusoidal absorption, an auxiliary DC-DC converter arranged to generate a voltage compensating for the ripple of residual voltage at the output. of the DC-DC converter.

Ainsi, en associant à un étage de conversion continu-continu isolé, par exemple un convertisseur Flyback, un convertisseur auxiliaire de puissance nécessairement réduite puisque ne délivrant qu'une tension d'amplitude modeste par rapport à la tension nominale, on bénéficie à la fois d'une absorption sinusoïdale et d'une compensation de l'ondulation de tension à basse fréquence présente en sortie de l'étage de conversion continu-continu.Thus, by associating with an isolated DC-DC conversion stage, for example a Flyback converter, an auxiliary converter of necessarily reduced power since only delivering a voltage of modest amplitude compared to the nominal voltage, one benefits both sinusoidal absorption and compensation for the low frequency voltage ripple present at the output of the DC-DC conversion stage.

Dans un premier mode préféré de réalisation de l'invention, le dispositif de conversion alternatif-continu comprend en outre des moyens pour compenser le courant de sortie du convertisseur continu-continu comprenant des premiers moyens de commutation commandés, face à des variations de charge, ces moyens de compensation agissant sur la commande des premiers moyens de commutation commandés. Cette fonctionnalité permet de rendre l'étage de conversion continu-continu peu sensible aux variations de charge et ainsi de minimiser la puissance instantanée dimensionnante pour l'étage de sortie.In a first preferred embodiment of the invention, the AC-DC conversion device further comprises means for compensating the output current of the DC-DC converter comprising first controlled switching means, faced with variations in load, these compensation means acting on the control of the first controlled switching means. This functionality makes it possible to make the DC-DC conversion stage not very sensitive to load variations and thus to minimize the instantaneous power sizing for the output stage.

Dans une forme pratique de réalisation, le convertisseur auxiliaire comprend des seconds moyens de commutation commandés, un transformateur comprenant un enroulement primaire en série avec lesdits moyens de commutation commandés et un enroulement secondaire coopérant avec des moyens de redressement pour délivrer la tension de compensation, cet enroulement secondaire étant disposé en série avec la sortie du convertisseur continu-continu. On peut notamment choisir pour ce convertisseur auxiliaire une structure Forward.In a practical embodiment, the auxiliary converter comprises second controlled switching means, a transformer comprising a primary winding in series with said controlled switching means and a secondary winding cooperating with rectifying means to deliver the compensation voltage, this secondary winding being arranged in series with the output of the DC-DC converter. One can in particular choose for this auxiliary converter a Forward structure.

Ce convertisseur auxiliaire, que l'on peut considérer comme un filtre actif régulant la tension de sortie, peut être dimensionné pour une puissance qui ne représente qu'une fraction de la puissance nominale du dispositif de conversion alternatif-continu. Il est également prévu des moyens pour réguler sa tension de sortie, ces moyens de régulation agissant sur le rapport cyclique de commande des seconds moyens de commutation commandés.This auxiliary converter, which can be considered as an active filter regulating the output voltage, can be dimensioned for a power which represents only a fraction of the nominal power of the AC-DC conversion device. Means are also provided for regulating its output voltage, these regulating means acting on the command duty cycle of the second controlled switching means.

Le convertisseur continu-continu est de préférence un convertisseur Flyback qui, de par sa structure, réalise la condition d'isolement galvanique.The DC-DC converter is preferably a Flyback converter which, by virtue of its structure, fulfills the condition of galvanic isolation.

Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de conversion alternatif-continu, pour délivrer une tension continue à partir d'une source d'alimentation alternative, mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention, ce procédé comprenant les étapes suivantes

  • un redressement alternatif-continu, pour délivrer à partir de la source de tension alternative une tension redressée non régulée, et
  • un filtrage en aval du redressement alternatif-continu.
According to another aspect of the invention, there is provided an AC-DC conversion method for delivering a DC voltage from a alternative power source, implemented in the device according to the invention, this method comprising the following steps
  • AC-DC rectification, to deliver from the AC voltage source an unregulated rectified voltage, and
  • filtering downstream from AC-DC straightening.

Suivant l'invention, le procédé comprend en outre, à la suite du filtrage, une étape de conversion continu-continu à absorption sinusoïdale et à isolement galvanique pour délivrer une tension continue régulée comportant une ondulation de tension résiduelle à basse fréquence, et une étape pour compenser l'ondulation à basse fréquence de cette tension continue régulée, cette étape de compensation comprenant une génération d'une tension de compensation de fréquence et d'amplitude sensiblement égales à celles de l'ondulation de tension à basse fréquence, et une mise en série de cette tension de compensation avec la tension de sortie issue de la conversion continu-continu.According to the invention, the method further comprises, following the filtering, a step of DC-DC conversion with sinusoidal absorption and galvanic isolation to deliver a regulated DC voltage comprising a low frequency residual voltage ripple, and a step to compensate for the low frequency ripple of this regulated continuous voltage, this compensation step comprising a generation of a compensation voltage of frequency and amplitude substantially equal to those of the low frequency voltage ripple, and a setting in series of this compensation voltage with the output voltage from the DC-DC conversion.

Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la conversion continu-continu est une conversion en mode Flyback.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the continuous-continuous conversion is a conversion in Flyback mode.

Dans une forme pratique de réalisation de l'invention, la tension de compensation est délivrée aux bornes d'un enroulement secondaire d'un convertisseur auxiliaire en mode Forward, cet enroulement secondaire étant disposé en série avec la sortie de l'étage de conversion continu-continu.In a practical embodiment of the invention, the compensation voltage is supplied across a secondary winding of an auxiliary converter in Forward mode, this secondary winding being arranged in series with the output of the continuous conversion stage -continued.

Le procédé selon l'invention comprend de préférence une compensation du courant de sortie de l'étage de conversion continu-continu, cette compensation comportant une addition à la tension de commande de cet étage de conversion continu-continu d'une image du courant de sortie.The method according to the invention preferably comprises compensation of the output current of the DC-DC conversion stage, this compensation comprising an addition to the control voltage of this DC-DC conversion stage of an image of the DC current. exit.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs :

  • la figure 1 est un schéma général d'un dispositif de conversion alternatif-continu;
  • la figure 2 est un schéma du convertisseur continu-continu Flyback;
  • la figure 3 est un schéma-bloc de la boucle de régulation du convertisseur continu-continu Flyback; et
  • la figure 4 est un chronogramme des tensions de sortie respectives du convertisseur Flyback et du convertisseur auxiliaire.
Other features and advantages of the invention will appear in the description below. In the appended drawings given by way of nonlimiting examples:
  • Figure 1 is a general diagram of an AC-DC conversion device;
  • Figure 2 is a diagram of the Flyback DC-DC converter;
  • FIG. 3 is a block diagram of the regulation loop of the Flyback DC-DC converter; and
  • Figure 4 is a timing diagram of the respective output voltages of the Flyback converter and the auxiliary converter.

On va maintenant décrire un exemple particulier de réalisation d'un dispositif de conversion alternatif-continu selon l'invention, en même temps que le procédé d'alimentation mis en oeuvre dans ce dispositif, en référence aux figures précitées.We will now describe a particular embodiment of an AC-DC conversion device according to the invention, at the same time as the supply method implemented in this device, with reference to the aforementioned figures.

Le dispositif de conversion alternatif-continu 1 comprend, en référence à la figure 1, un étage de redressement à diodes 2 alimenté sous une tension alternative monophasée, par exemple le secteur monophasé, un étage de filtrage 3, un étage de conversion continu-continu 4 comprenant un convertisseur Flyback, et un convertisseur auxiliaire 5 à la sortie duquel est connectée une charge 6.The AC-DC conversion device 1 comprises, with reference to FIG. 1, a diode rectification stage 2 supplied with a single-phase AC voltage, for example the single-phase sector, a filtering stage 3, a DC-DC conversion stage 4 comprising a Flyback converter, and an auxiliary converter 5 at the output of which a load 6 is connected.

L'étage de filtrage 3 comporte un condensateur d'entrée 30 (1,8 µF), une inductance de filtrage 31 en ligne (150 µH) et un condensateur de sortie 32 (1,8 µF). Cet étage de filtrage 3 a été dimensionné de façon à minimiser l'inductance de filtrage 31 et de rendre l'ondulation de tension aux bornes du condensateur de sortie 32, et donc à l'entrée du convertisseur Flyback 4, indépendante de l'inductance de la ligne d'alimentation.The filtering stage 3 comprises an input capacitor 30 (1.8 μF), an in-line filtering inductor 31 (150 μH) and an output capacitor 32 (1.8 μF). This filtering stage 3 has been dimensioned so as to minimize the filtering inductance 31 and to make the voltage ripple at the terminals of the output capacitor 32, and therefore at the input of the Flyback converter 4, independent of the inductance of the power line.

Le convertisseur Flyback 4 comprend un interrupteur commandé 40, de préférence un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), un circuit d'aide à la commutation 400, une inductance couplée 41 comportant un enroulement primaire 410 en série avec l'interrupteur 40 et un enroulement secondaire 411 en série avec une diode secondaire 42, et une condensateur de sortie 43.The Flyback converter 4 comprises a controlled switch 40, preferably an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a switching assistance circuit 400, a coupled inductor 41 comprising a primary winding 410 in series with the switch 40 and a winding secondary 411 in series with a secondary diode 42, and an output capacitor 43.

Dans un exemple pratique de réalisation du convertisseur Flyback 4 (figure 2), l'interrupteur commandé 40 est un IGBT rapide 50 A, 1200 V et sa fréquence de découpage est égale à 20 kHz. Cet interrupteur commandé 40 est nécessairement pourvu d'une diode 401 montée en antiparallèle. L'inductance couplée 41 est de structure toroïdale avec un noyau en ferrite et des conducteurs en fil de Litz. La diode secondaire 42 est de préférence une diode ultra rapide 100 A, 200 V; Le condensateur de sortie 43 est un condensateur chimique à hautes performances ayant une capacité de 15000 µF.In a practical embodiment of the Flyback converter 4 (FIG. 2), the controlled switch 40 is a fast 50 A, 1200 V IGBT and its switching frequency is equal to 20 kHz. This controlled switch 40 is necessarily provided with a diode 401 mounted in antiparallel. The coupled inductance 41 is of toroidal structure with a ferrite core and Litz wire conductors. The secondary diode 42 is preferably an ultra fast 100 A, 200 V diode; The output capacitor 43 is a high performance chemical capacitor with a capacity of 15000 µF.

Le circuit d'aide à la commutation 400, de structure connue, permet de limiter les contraintes instantanées et les pertes liées à la commutation d'ouverture de l'interrupteur commandé 40. Il comprend notamment un condensateur 412 d'aide à l'ouverture pour récupérer l'énergie de fuite de l'inductance couplée 41, une inductance 46 permettant une inversion de la tension aux bornes du condensateur 412, trois diodes 45, 44, 47, et un circuit (R, C) 49, 48, ces composants d'aide à la commutation étant connectés suivant un schéma bien connu des concepteurs de circuit d'aide à la commutation.The switching assistance circuit 400, of known structure, makes it possible to limit the instantaneous stresses and the losses linked to the opening switching of the controlled switch 40. It notably comprises a capacitor 412 for assistance with the opening to recover the leakage energy from the coupled inductor 41, an inductor 46 allowing an inversion of the voltage across the capacitor 412, three diodes 45, 44, 47, and a circuit (R, C) 49, 48, these switching assistance components being connected according to a diagram well known to designers of switching assistance circuits.

Dans l'exemple pratique de réalisation qui vient d'être décrit pour le convertisseur continu-continu Flyback 4, on a obtenu une puissance de sortie utile de 1500 W avec un rendement de 92 %.In the practical embodiment which has just been described for the DC-DC converter Flyback 4, a useful output power of 1500 W was obtained with an efficiency of 92%.

L'interrupteur 40 est commandé par une unité de commande 7 comprenant un module de commande à Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI) 70 comportant un module de protection en courant à partir d'une information de mesure de courant fournie par un capteur de courant 413, - par exemple une sonde passive -, en série avec l'interrupteur 40, un module d'isolement galvanique et un module de commande rapprochée. Lorsque le courant dans l'interrupteur 40 dépasse une consigne de courant maximum, le module de protection assure un blocage de la commande de grille de l'interrupteur 40 jusqu'à la période de découpage suivante.The switch 40 is controlled by a control unit 7 comprising a control module with Pulse Width Modulation (PWM) 70 comprising a current protection module based on current measurement information supplied by a current sensor 413, - for example a passive probe -, in series with the switch 40 , a galvanic isolation module and a close control module. When the current in the switch 40 exceeds a maximum current setpoint, the protection module blocks the gate control of the switch 40 until the next switching period.

Un module 71 de régulation du courant d'entrée Ie du convertisseur continu-continu Forward 4 est prévu pour permettre de contrôler la puissance absorbée et de maintenir ou au mieux d'améliorer les performances d'absorption sinusoïdale. Il s'agit ainsi de réaliser un asservissement rapide avec une erreur faible sur une large gamme de fréquence, tout en offrant un degré de stabilité satisfaisant.A module 71 for regulating the input current Ie of the DC-DC converter Forward 4 is provided to make it possible to control the power absorbed and to maintain or at best improve the sinusoidal absorption performance. It is thus a question of realizing a fast control with a low error on a wide frequency range, while offering a satisfactory degree of stability.

Le courant d'entrée Ie est mesuré par la sonde passive 413 qui ne fournit cependant que la composante dynamique du courant. Pour obtenir une image du courant d'entrée, on reconstitue la composante continue de courant suivant une technique bien connue mettant en oeuvre un filtre RC ou une intégration, en utilisant le fait que, dans ce type de convertisseur Flyback, le courant mesuré s'annule périodiquement à des instants connus. Il n'est pas nécessaire de décrire en détail la boucle de courant mise en oeuvre pour la régulation du courant d'entrée, cette boucle de courant pouvant être réalisée selon des schémas classiques connus de tout homme du métier.The input current Ie is measured by the passive probe 413 which however only supplies the dynamic component of the current. To obtain an image of the input current, the DC component is reconstructed using a well-known technique using an RC filter or an integration, using the fact that, in this type of Flyback converter, the measured current s' cancels periodically at known times. It is not necessary to describe in detail the current loop implemented for regulating the input current, this current loop being able to be produced according to conventional diagrams known to any person skilled in the art.

Il est par ailleurs avantageux de prévoir une régulation 72 de la tension de sortie Vs du convertisseur Flyback 4, en référence aux figures 2 et 3. On montre que cette régulation peut être obtenue en réalisant une compensation du courant de sortie Is. Il convient cependant de ne pas réinjecter dans la boucle de régulation l'ondulation de tension à une fréquence de 100 Hz issue du redressement monophasé, afin de ne pas déformer la consigne de la boucle interne de courant. Cette composante est éliminée en introduisant un échantillonneur-bloqueur 721 synchronisé sur l'ondulation de tension.It is also advantageous to provide a regulation 72 of the output voltage Vs of the Flyback converter 4, with reference to FIGS. 2 and 3. It is shown that this regulation can be obtained by compensating for the output current Is. It should however be not to reinject in the loop regulating the voltage ripple at a frequency of 100 Hz from the single-phase rectification, so as not to distort the setpoint of the internal current loop. This component is eliminated by introducing a sampler-blocker 721 synchronized with the voltage ripple.

On réalise une mesure (727) de la tension Vs en sortie du convertisseur Flyback 4. Cette mesure est comparée à une tension de référence Vref et la différence de tension est soumise à un correcteur P.I (Proportionnel Intégral), puis à l'échantillonneur-bloqueur 721. On obtient ainsi un signal de commande auquel on ajoute (722) une image K.Ic du courant de sortie Ic du convertisseur 1, cette image étant obtenue par mesure de ce courant au moyen d'une sonde de mesure de courant 510 disposée en sortie du convertisseur auxiliaire 5. Cette addition permet une compensation rapide des variations de courant et ainsi une réduction considérable des écarts de tension lors de variations rapides de charge. Le convertisseur Flyback 4 peut être modélisé par un générateur de courant commandé. Les éléments caractéristiques du modèle sont:

  • une modulation de la tension de commande Vcy par une fonction (1-cos(2ω)t) représentative de l'ondulation à 100 Hz de la tension redressée, si ω est la pulsation électrique du secteur,
  • et une génération (724) d'un courant Iy ayant pour expression: Iy= A. Vcy.(1-cos(2ω)t)
    Figure imgb0001
A measurement (727) is made of the voltage Vs at the output of the Flyback converter 4. This measurement is compared with a reference voltage Vref and the voltage difference is subjected to a PI corrector (Proportional Integral), then to the sampler- blocker 721. A control signal is thus obtained to which is added (722) an image K.Ic of the output current Ic of the converter 1, this image being obtained by measuring this current by means of a current measurement probe 510 disposed at the output of the auxiliary converter 5. This addition allows rapid compensation for variations in current and thus a considerable reduction in voltage differences during rapid variations in load. The Flyback 4 converter can be modeled by a controlled current generator. The characteristic elements of the model are:
  • a modulation of the control voltage Vcy by a function (1-cos (2ω) t) representative of the ripple at 100 Hz of the rectified voltage, if ω is the electrical pulsation of the sector,
  • and a generation (724) of a current Iy having the expression: Iy = A. Vcy. (1-cos (2ω) t)
    Figure imgb0001

La tension de sortie du convertisseur Flyback 4 est obtenue par intégration capacitive 1/Cp du courant circulant dans le condensateur 43 qui est égal à la différence entre le courant généré Iy et le courant de sortie Is appelé par le convertisseur auxiliaire 5.The output voltage of the Flyback converter 4 is obtained by capacitive integration 1 / Cp of the current flowing in the capacitor 43 which is equal to the difference between the current generated Iy and the output current Is called by the auxiliary converter 5.

Avec un réglage approprié de cette compensation de courant, les variations de courant de charge ne se manifestent plus que sur l'amplitude des ondulations à 100 Hz du courant délivré par le convertisseur Flyback 4. Dans le cas le plus défavorable d'un échelon de courant, l'amplitude des variations de tension qui en résulte dépend de l'instant d'application et de l'amplitude de cet échelon. La variation maximale de tension que l'on peut obtenir est égale au double de l'ondulation maximale. Cette compensation permet d'obtenir un gain considérable sur le dimensionnement en puissance du convertisseur Forward 5 qui joue alors le rôle de filtre actif.With an appropriate setting of this current compensation, the load current variations only become manifest on the amplitude of the ripples at 100 Hz of the current delivered by the Flyback 4 converter. In the most unfavorable case of a current step, the amplitude of the resulting voltage variations depends on the instant of application and the amplitude of this step. . The maximum voltage variation that can be obtained is twice the maximum ripple. This compensation makes it possible to obtain a considerable gain on the power sizing of the Forward 5 converter which then plays the role of active filter.

Le convertisseur auxiliaire 5, qui a pour fonction d'atténuer l'ondulation à basse fréquence de la tension de sortie du convertisseur Flyback 4, est de type Forward. Il comprend un transformateur 52 comportant un enroulement primaire 520 en série avec un interrupteur commandé 50, un premier enroulement secondaire 522 en série avec une diode secondaire 53 pour délivrer une tension de compensation Vs2, et un second enroulement secondaire 521 de récupération en série avec une diode de récupération 51. L'enroulement primaire 520 et l'interrupteur commandé en série sont connectés en parallèle sur la sortie du convertisseur Flyback 4. L'enroulement de récupération 521 et la diode de récupération 51 sont également connectés en parallèle sue la sortie du convertisseur Flyback 4, puisqu'il n'est pas nécessaire de prévoir d'isolement galvanique pour cet étage de compensation. Une diode de roue libre 54 est connectée en parallèle sur l'enroulement secondaire 522 en série avec la diode secondaire 53. La tension de sortie Vs du convertisseur auxiliaire est alors égale à la somme de la tension de sortie Vs1 du convertisseur Flyback 4 et de la tension de compensation Vs2 aux bornes de la diode de roue libre 54. Cette tension de sortie Vs est filtrée par un filtre passif classique comprenant une inductance en ligne 55 et un condensateur électrochimique 56 en parallèle sur la sortie de charge. On obtient en particulier le filtrage des composantes du découpage à 20 kHz du convertisseur Flyback 4.The auxiliary converter 5, which has the function of attenuating the low frequency ripple of the output voltage of the Flyback converter 4, is of the Forward type. It comprises a transformer 52 comprising a primary winding 520 in series with a controlled switch 50, a first secondary winding 522 in series with a secondary diode 53 for delivering a compensation voltage Vs2, and a second secondary winding 521 of recovery in series with a recovery diode 51. The primary winding 520 and the switch controlled in series are connected in parallel to the output of the Flyback converter 4. The recovery winding 521 and the recovery diode 51 are also connected in parallel on the output of the Flyback 4 converter, since there is no need to provide galvanic isolation for this compensation stage. A freewheeling diode 54 is connected in parallel to the secondary winding 522 in series with the secondary diode 53. The output voltage Vs of the auxiliary converter is then equal to the sum of the output voltage Vs1 of the Flyback converter 4 and the compensation voltage Vs2 at the terminals of the freewheeling diode 54. This output voltage Vs is filtered by a conventional passive filter comprising an in-line inductance 55 and an electrochemical capacitor 56 in parallel on the charge output. We get in in particular the filtering of the 20 kHz chopping components of the Flyback 4 converter.

A titre d'exemple pratique de cahier des charges pour la réalisation du convertisseur auxiliaire 5 selon l'invention, celui ci doit présenter les caractéristiques suivantes:

  • une annulation de l'erreur statique sur la tension de sortie Vc,
  • une atténuation de l'ondulation de tension du convertisseur Flyback 4 de 30 dB,
  • une atténuation des effets de variation de charge, soit Vc/Ic inférieur à -30 dB à une fréquence de 10 kHz.
As a practical example of specifications for the production of the auxiliary converter 5 according to the invention, it must have the following characteristics:
  • cancellation of the static error on the output voltage Vc,
  • an attenuation of the voltage ripple of the Flyback 4 converter by 30 dB,
  • attenuation of the effects of load variation, ie Vc / Ic less than -30 dB at a frequency of 10 kHz.

L'interrupteur commandé 50 du convertisseur auxiliaire 5 est de préférence un transistor MOSFET, du fait que les courants commutés sont très inférieurs au courant nominal du dispositif de conversion 1. Ce transistor est piloté par une unité de commande 8 incluant une commande de type MLI et une régulation de la tension de sortie. Cette régulation peut être effectué suivant des techniques classiques dans le domaine de l'électronique de puissance. Il s'agit ici de générer une tension de compensation Vs2 à une fréquence de 100 Hz qui soit telle qu'elle vienne compenser les propres ondulations à 100 Hz de la tension Vs1 de sortie du convertisseur Flyback (figure 4), et que la tension de sortie du dispositif de conversion alternatif-continu selon l'invention soit une tension sensiblement constante de valeur prédéterminée Vc. Pour dimensionner le convertisseur auxiliaire 5, il est nécessaire de déterminer la variation maximale Vs2max de la tension de compensation Vs2, et par conséquent la variation maximale de la tension de sortie Vs1 du convertisseur Flyback. En pratique, du fait de l'existence d'une compensation du courant de sortie du convertisseur Flyback 4, cette variation de la tension de sortie Vs1 reste limitée au double de la valeur crête-crête de l'ondulation à 100 Hz au point nominal, soit environ 10 V pour une alimentation secteur de 300 V.The controlled switch 50 of the auxiliary converter 5 is preferably a MOSFET transistor, since the switched currents are much lower than the nominal current of the conversion device 1. This transistor is controlled by a control unit 8 including a PWM type control and regulation of the output voltage. This regulation can be carried out according to conventional techniques in the field of power electronics. This involves generating a compensation voltage Vs2 at a frequency of 100 Hz which is such that it compensates for the own ripples at 100 Hz of the output voltage Vs1 of the Flyback converter (Figure 4), and that the voltage output of the AC-DC conversion device according to the invention, ie a substantially constant voltage of predetermined value Vc. To size the auxiliary converter 5, it is necessary to determine the maximum variation V s2max of the compensation voltage Vs2, and consequently the maximum variation of the output voltage Vs1 of the Flyback converter. In practice, due to the existence of compensation for the output current of the Flyback converter 4, this variation in the output voltage Vs1 remains limited to double the peak-peak value of the ripple at 100 Hz at nominal point, i.e. approximately 10 V for a 300 V mains supply

Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les interrupteurs commandés équipant le convertisseur Flyback et le convertisseur Forward peuvent être choisis différemment que ceux cités dans la description, en fonction de contraintes matérielles ou économiques. Par ailleurs, les unités de commande peuvent être conçues suivant d'autres principes de commande sans limiter pour autant la portée de l'invention.Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described and numerous modifications can be made to these examples without departing from the scope of the invention. Thus, the controlled switches fitted to the Flyback converter and the Forward converter can be chosen differently than those mentioned in the description, depending on material or economic constraints. Furthermore, the control units can be designed according to other control principles without limiting the scope of the invention.

Claims (11)

Dispositif (1) de conversion alternatif-continu à absorption sinusoïdale de courant, pour délivrer à une charge (6) une tension de sortie (Vc) continue régulée à partir d'une source de tension alternative, comprenant un étage de conversion alternatif-continu (2), un étage de filtrage (3) et un étage de conversion continu-continu incluant un convertisseur continu-continu (4) à absorption sinusoïdale et à isolement galvanique comprenant des premiers moyens de commutation commandés et délivrant une tension régulée comportant une ondulation de tension résiduelle à basse fréquence, caractérisé en ce que l'étage de conversion continu-continu comprend en outre, en aval du convertisseur continu-continu (4) à absorption sinusoïdale, un convertisseur auxiliaire (5) de type continu-continu agencé pour générer une tension (Vs2) compensant l'ondulation de tension résiduelle en sortie du convertisseur continu-continu (4).Device (1) for AC-DC conversion with sinusoidal current absorption, for supplying a load (6) with a regulated output voltage (Vc) from an AC voltage source, comprising an AC-DC conversion stage (2), a filtering stage (3) and a DC-DC conversion stage including a DC-DC converter (4) with sinusoidal absorption and galvanic isolation comprising first controlled switching means and delivering a regulated voltage comprising a ripple low-frequency residual voltage, characterized in that the DC-DC conversion stage further comprises, downstream from the DC-DC converter (4) with sinusoidal absorption, an auxiliary converter (5) of DC-DC type arranged for generating a voltage (Vs2) compensating for the ripple of residual voltage at the output of the DC-DC converter (4). Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (72) pour compenser face à des variations de charge le courant de sortie (Is) du convertisseur continu-continu (4), ces moyens de compensation (72) agissant sur la commande des premiers moyens de commutation commandés (40) dudit convertisseur continu-continu (4).Device (1) according to claim 1, characterized in that it further comprises means (72) for compensating for load variations the output current (Is) of the DC-DC converter (4), these means of compensation (72) acting on the control of the first controlled switching means (40) of said DC-DC converter (4). Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le convertisseur auxiliaire (5) comprend des seconds moyens de commutation commandés (50), un transformateur (52) comprenant un enroulement primaire (520) en série avec lesdits seconds moyens de commutation commandés (50), et un enroulement secondaire (522) coopérant avec des moyens de redressement (53) pour délivrer la tension de compensation (Vs2), cet enroulement secondaire (522) étant disposé en série avec la sortie du convertisseur continu-continu (4).Device (1) according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the auxiliary converter (5) comprises second controlled switching means (50), a transformer (52) comprising a primary winding (520) in series with said second controlled switching means (50), and a secondary winding (522) cooperating with straightening means (53) to deliver the compensation voltage (Vs2), this secondary winding (522) being arranged in series with the output of the DC-DC converter (4). Dispositif (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le convertisseur auxiliaire (5) est un convertisseur Forward.Device (1) according to claim 3, characterized in that the auxiliary converter (5) is a forward converter. Dispositif (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (8) pour réguler sa tension de sortie (Vc), ces moyens de régulation agissant sur la commande des seconds moyens de commutation commandés (50) du convertisseur auxiliaire (5).Device (1) according to claim 4, characterized in that it further comprises means (8) for regulating its output voltage (Vc), these regulating means acting on the control of the second controlled switching means (50) of the auxiliary converter (5). Dispositif (1) selon quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur continu-continu (4) est un convertisseur Flyback.Device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the DC-DC converter (4) is a Flyback converter. Procédé de conversion alternatif-continu, pour délivrer une tension continue régulée (Vc) à partir d'une source de tension alternative, mis en oeuvre dans le dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes - un redressement alternatif-continu, pour délivrer à partir de la source de tension alternative une tension redressée non régulée, et - un filtrage en aval du redressement alternatif-continu,    caractérisé en ce qu'il comprend en outre une conversion continu-continu à absorption sinusoïdale et à isolement galvanique pour délivrer une tension continue régulée (Vc) comportant une ondulation de tension résiduelle à basse fréquence, et une compensation de l'ondulation à basse fréquence de cette tension continue régulée, cette étape de compensation comprenant une génération d'une tension de compensation (Vs2) de fréquence et d'amplitude sensiblement égales à celles de l'ondulation de tension à basse fréquence et une mise en série de cette tension de compensation (Vs2) avec la tension de sortie (Vs1) issue de la conversion continu-continu.AC-DC conversion method for supplying a regulated DC voltage (Vc) from an AC voltage source, implemented in the device (1) according to one of the preceding claims, comprising the following steps - AC-DC rectification, to deliver from the AC voltage source an unregulated rectified voltage, and - filtering downstream from AC-DC straightening, characterized in that it further comprises a continuous-continuous conversion with sinusoidal absorption and galvanic isolation to deliver a regulated continuous voltage (Vc) comprising a ripple of residual voltage at low frequency, and compensation for the ripple at low frequency of this regulated DC voltage, this compensation step comprising a generation of a compensation voltage (Vs2) of frequency and amplitude substantially equal to that of the low-frequency voltage ripple and putting this compensation voltage (Vs2) in series with the output voltage ( Vs1) resulting from the continuous-continuous conversion. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la conversion continu-continu est une conversion de type Flyback.Method according to claim 7, characterized in that the continuous-continuous conversion is a Flyback type conversion. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une compensation du courant de sortie (Is) de l'étage de conversion continu-continu.Method according to one of claims 7 or 8, characterized in that it further comprises compensation of the output current (Is) of the continuous-continuous conversion stage. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la tension de compensation (Vs2) est délivrée aux bornes d'un enroulement secondaire (522) d'un convertisseur auxiliaire Forward (5), cet enroulement secondaire (522) étant disposé en série avec la sortie de l'étage de conversion continu-continu.Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the compensation voltage (Vs2) is supplied across a secondary winding (522) of a forward auxiliary converter (5), this secondary winding (522) being arranged in series with the output of the continuous-continuous conversion stage. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une régulation de la tension de sortie (Vc) du dispositif de conversion alternatif-continu (1), cette régulation comprenant une génération d'un signal de commande de rapport cyclique variable pour le convertisseur auxiliaire Forward (5).A method according to claim 10, characterized in that it further comprises regulation of the output voltage (Vc) of the AC-DC conversion device (1), this regulation comprising the generation of a duty cycle control signal variable for the Forward auxiliary converter (5).
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